Boîtier d'instrumentation gaz

01Contexte et objectifs

Les capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR) moyenne précision permettent de réaliser des réseaux de mesure denses à moindre coût mais leur intégration nécessite a minima un boîtier permettant la gestion de l'air analysé (aspiration et refoulement), la mesure des variables d'influence et l'accès aux données via diverses interfaces de communication. Cette problématique a été traitée par l'équipe ICOS-ATC au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, UMR 8212) pour former des réseaux de mesure stationnaires couvrant de larges zones de métropoles.

02Travail réalisé

Mon intervention comme ingénieur-chercheur visait à faire évoluer un prototype existant vers une solution reproductible, documentée et pouvant être fabriquée en série. La première étape a consisté à définir les spécifications avec les équipes internes (chercheurs et électronicien) ainsi qu'avec les parties prenantes impliquées dans la fabrication, le déploiement et l'utilisation du système. Plusieurs itérations de boîtier-capteurs ont été réalisées jusqu'à la version finale. J'ai ensuite réalisé les tests de validation et la configuration du système d'acquisition de données, ainsi que la communication technique avec les différentes parties prenantes (sous-traitants, responsables du déploiement et laboratoires partenaires) puis enfin, la documentation complète du projet. Elle formalise les opérations mécaniques à effectuer, le montage et le câblage, la nomenclature et les circuits électriques, électroniques et pneumatiques (Piping & Instrumentation diagram, P&ID). Une fois les prototypes réalisés, le travail s'est poursuivi par la préparation et le suivi du lancement d'une petite série, en parallèle de la communication sur l'avancement du projet et du transfert de technologie vers les laboratoires partenaires.

03Démarche

Dans mes travaux précédents, notamment autour du développement d’un réseau de capteurs sans fil, j’avais déjà abordé les problématiques de conception selon une logique d’ingénierie système, en considérant conjointement les différentes fonctions, sous-ensembles et interfaces du dispositif. C'est donc de cette manière que j'ai abordé ce projet, en définissant quatre sous-ensembles qui allaient composer l'essentiel du système : 1) tuyauterie et instrumentation ; 2) traitement des données et interfaces de communication ; 3) alimentation électrique ; et 4) conditionnement mécanique.

Le boîtier final a été obtenu par améliorations successives des prototypes selon les retours du terrain. Ce développement par essai-erreur a permis d'avancer rapidement vers une solution finale en apprenant et en communiquant à chaque itération pour améliorer les décisions prises ; chacun des prototypes étant suffisamment fonctionnel pour être intégré au réseau de mesure. Nous avons également conçu un conteneur en acier étanche avec une partie du matériel auxiliaire afin de faciliter l'installation et de protéger les équipements.

Pour la fabrication du boîtier, un maximum d'éléments standards a été utilisé, avec quelques éléments sur mesure imprimés en 3D. Penser l'approvisionnement des composants de cette manière garantit une maintenabilité du système sur le long terme. Typiquement, l'utilisation d'un nano-ordinateur Raspberry Pi avec shield 4G a été privilégiée par rapport à un système d'acquisition de données industriel. L'ensemble du coût est concentré sur la qualité de la mesure incluant le circuit pneumatique, utilisant des raccords Swagelok, et les capteurs NDIR (SenseAir) et TRH (température et humidité relative). Avant la mise en service, les boîtiers-capteurs sont testés et soumis à une période de déverminage. Il a fallu notamment mesurer l'impact du circuit pneumatique précédemment conçu sur la précision des mesures. Les systèmes auxiliaires (conteneur et crépines des lignes d'échantillonnage) sont, quant à eux, fabriqués en tôlerie et mécanique pour garantir leur résistance aux contraintes d'ambiance extérieures.

Au cours de ce projet, nous avons partagé nos expérimentations avec le laboratoire de chimie atmosphérique de l'UNAM (Universidad Nacional Autónoma de México) ainsi qu'avec des partenaires français pouvant nous assister pour le déploiement ; cela en vue de former les mêmes réseaux de mesure à Paris et à Mexico.

04État et résultats

Le système a été déployé avec succès dans les métropoles de Paris et de Mexico, avec une présérie de 12 boîtiers-capteurs à Paris et d'autres à Mexico supervisés par l'UNAM. Une documentation complète du projet (30 pages incluant la notice de fabrication et un retour d'expérience) a permis de pérenniser la technologie développée qui pourra être produite en plus grande série ou améliorée.

Bilan du projet

Outils

Raspberry Pi · Draw.io · Impression 3D · Python · Inkscape · FreeCAD

Livrables

Présérie de 12 boîtiers-capteurs · Conteneur de protection · Nomenclature et schémas · Documentation technique